Des ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université Rice ont perfectionné une technologie permettant d'éditer des « paires de bases » génétiques individuelles à un nouveau niveau de précision, ouvrant la porte à des thérapies plus sûres et plus fiables pour un large éventail de maladies génétiques, ainsi qu'à des traitements potentiels pour certains patients atteints de mucoviscidose, qui pourraient donner de meilleurs résultats que les thérapies existantes.
Contrairement aux maladies infectieuses, dont beaucoup répondent aux mêmes traitements – comme les antibiotiques qui neutralisent plusieurs types de bactéries – les maladies génétiques nécessitent souvent des thérapies extrêmement spécifiques, qui peuvent varier d’un patient à l’autre, même pour une même maladie.
« Plus d'un millier de mutations génétiques différentes peuvent provoquer la mucoviscidose », déclare Xue « Sherry » Gao, professeur associé au Presidential Penn Compact en génie chimique et biomoléculaire (CBE) et en bio-ingénierie (BE) au sein de Penn Engineering, et co-auteur principal d'un nouvel article dans Thérapie moléculaire décrivant l'avance. « Le fait que différentes mutations nécessitent des outils correctifs distincts souligne l'importance de la médecine de précision. »
En d’autres termes, pour traiter des maladies comme la fibrose kystique, les chercheurs doivent développer une suite d’outils plutôt qu’une seule thérapie. Mais même lorsque les scientifiques savent exactement quelle lettre de l'ADN ils souhaitent modifier, les technologies actuelles d'édition de gènes peuvent également modifier involontairement les lettres voisines, introduisant ainsi des mutations « spectateurs » qui soulèvent des problèmes de sécurité.
« C'est un peu comme éditer un document », explique Gao. « Nous pouvons déjà identifier et remplacer une lettre particulière dans un mot spécifique. Comment changer seulement cette lettre sans altérer accidentellement les lettres à côté ? »
Sommaire
Le défi d’échanger des C contre des T
Une cause fréquente de maladies génétiques, y compris la mucoviscidose, est la substitution accidentelle d'une base nucléotidique – une simple « lettre » dans le code génétique – par une autre.
« Dans certains cas, la lettre devrait être un T », explique Tyler C. Daniel, doctorant chez Penn Engineering en CBE et co-premier auteur du nouvel article, faisant référence à la thymine, l'une des quatre bases de l'ADN humain, avec l'adénine (A), la guanine (G) et la cytosine (C). « Au lieu de cela, il s'agit d'un C, qui peut altérer ou abolir complètement la fonction du gène, conduisant à une maladie. »
Bien qu'il soit déjà possible d'utiliser des éditeurs pour changer le C en T, y compris un éditeur de paires de bases conçu par les mêmes chercheurs en 2020, et même de modifier sélectivement un seul des deux C adjacents, des problèmes surviennent lorsque plusieurs paires de cytosines apparaissent proches les unes des autres, dans des motifs « CC… CC », séparées par seulement quelques autres paires de bases.
Le défi n’est guère théorique : parmi les dizaines de milliers de mutations C-to-T et T-to-C pathogènes connues que ce type d’éditeur de paires de bases peut traiter, les trois quarts impliquent plusieurs paires de cytosines regroupées.
Le problème est la précision. Comment restreindre l'éditeur pour qu'il modifie uniquement la lettre C ciblée que vous souhaitez et laisse ses voisins tranquilles ? »
Tyler C. Daniel, doctorant Penn Engineering en CBE
Ingénierie d'un éditeur plus précis
Afin de changer les lettres de l'ADN, les éditeurs de paires de bases combinent deux fonctions essentielles : un composant qui localise une séquence spécifique dans le génome et un autre qui modifie l'ADN. Ces deux parties sont physiquement reliées par un segment de molécules appelé « lieur ».
Tout comme la longueur de la laisse d'un chien détermine la distance à laquelle il peut s'éloigner de son propriétaire, les propriétés du lieur dictent la liberté avec laquelle l'enzyme qui effectue l'édition de l'ADN se déplace sur le site cible.
En raccourcissant et en raidissant le lieur, l’équipe a effectivement limité la portée de l’enzyme. « Nous avons essentiellement resserré la laisse pour nous assurer que seule notre cible était modifiée », explique Daniel.
Les chercheurs ont également modifié la manière dont l’éditeur de paires de bases interagit avec l’ADN, affaiblissant ainsi sa tendance à agir sur les lettres voisines.
Lors de tests en laboratoire sur des cellules humaines, l'éditeur repensé a conduit à des réductions spectaculaires des modifications involontaires de tiers : la variante la plus précise a réduit les mutations de tiers de plus de 80 %, tout en conservant des niveaux élevés d'activité de l'éditeur d'origine sur le site cible.
Vers un traitement permanent de la mucoviscidose
La mucoviscidose est causée par des mutations dans un gène qui contrôle la façon dont les cellules tapissant les poumons font entrer et sortir le sel et l’eau. Lorsque ce processus s’interrompt, un mucus épais s’accumule dans les poumons, rendant la respiration difficile et rendant les patients vulnérables aux infections répétées.
Même si les médicaments développés ces dernières années, comme Trikafta, ont transformé la vie de nombreuses personnes atteintes de mucoviscidose, ces médicaments doivent être pris quotidiennement et peuvent entraîner des coûts annuels faramineux. Étant donné que de nombreuses mutations à l'origine de la mucoviscidose impliquent des modifications d'une seule lettre d'ADN, les éditeurs de paires de bases pourraient, en principe, aider à traiter la maladie, même lorsque Trikafta est inefficace – mais seulement s'ils peuvent éviter de provoquer des mutations nocives hors cible.
« Nous avons pu introduire des mutations spécifiques de la mucoviscidose dans les cellules épithéliales humaines pertinentes pour la maladie, générant ainsi des modèles cellulaires qui amélioreront notre compréhension », explique Gang Bao, professeur de bio-ingénierie de la famille Foyt à l'Université Rice et co-auteur principal de l'étude. « Nous avons également pu inverser ces mutations et montrer des fonctions cellulaires améliorées en utilisant le même éditeur, démontrant le niveau de contrôle précis de l'édition de gènes que cette technologie offre désormais et le potentiel des éditeurs de paires de bases pour traiter la maladie. »
Les travaux en sont encore à un stade précoce et préclinique. Pourtant, sur plusieurs sites génétiques liés à la mucoviscidose affectant un sous-ensemble de patients atteints de mucoviscidose, l'éditeur raffiné a réduit les modifications involontaires de 50 à 60 % à moins de 1 %, tout en préservant largement le changement d'ADN souhaité.
En réparant directement l’erreur génétique sous-jacente, la méthode ouvre la voie à un traitement à long terme, potentiellement permanent. « Plus nous pouvons rendre ces outils précis », ajoute Bao, « plus ils ont le potentiel de changer la façon dont nous traitons les maladies génétiques avec un niveau élevé d'efficacité et de sécurité. »
Une boîte à outils plus large pour les maladies génétiques
Au-delà de la fibrose kystique, l'éditeur de base raffiné pourrait aider les chercheurs à lutter contre un large éventail de maladies génétiques causées par des modifications de l'ADN d'une seule lettre. Parce que l’outil permet aux scientifiques d’introduire – et de corriger – des mutations spécifiques avec beaucoup plus de précision, il offre un moyen puissant d’étudier comment les variantes génétiques individuelles affectent la réponse aux maladies et aux médicaments.
Cette capacité est particulièrement précieuse pour les mutations rares, qui peuvent affecter seulement un petit nombre de patients et sont difficiles à étudier dans le cadre d’essais cliniques à grande échelle. En créant des modèles cellulaires précis de ces mutations en laboratoire, les chercheurs peuvent tester des médicaments existants, explorer de nouvelles stratégies thérapeutiques et commencer à identifier les traitements les plus susceptibles de fonctionner pour des patients spécifiques.
« La capacité de modéliser avec précision les mutations pathogènes nous donne une vision beaucoup plus claire du comportement de ces mutations, y compris de la manière dont elles pourraient répondre à différents traitements », explique Gao. « Ce type d'informations est essentiel pour évoluer vers des approches plus personnalisées du traitement des maladies génétiques. »
